Cel mai mare sistem de magneţi superconductori din lume, cu componente uriaşe ce însumează 10.000 tone, prinde formă în Franţa

Există în lumea ingineriei şi a fizicii construcţii atât de mari şi de complexe, încât iau zeci de ani să fie definitivate, fiind adeseori pornite de o generaţie de ingineri şi definitivate de alta. Reactorul ITER, construit în Franţa cu un efort internaţional considerabil, este exact o asemenea construcţie, cu rolul de a deveni cel mai mare reactor tokamak din lume, pentru fuziune nucleară. Acest reactor ar trebui să le permită oamenilor de ştiinţă să pună la punct ultimele experimente şi perfecţionări, care să determine stăpânirea completă a reacţiilor de fuziune nucleară şi producţiei de electricitate cu ajutorul acesteia. Scara sa imensă, dar şi complexitatea construcţiei, a făcut ca acesta să nu fie gata în 2025, aşa cum estima planul iniţial, ci să ducă termenul final de realizare departe după anul 2030, până spre 2039. Însă acum părţile cele mai importante ale acestui reactor, sistemul de magneţi superconductori, care e şi cel mai mare din lume, cu componente uriaşe ce însumează 10.000 tone, sunt livrate şi testate, iar sistemul prinde formă.

Reamintim, fuziunea nucleară e acel proces invers fisiunii actuale folosite la centralele nucleare, care nu generează materiale radioactive la finalul reacţiei, ceea ce o face mai sigură, teoretic. E un proces similar reacţiilor pe stelele din spaţiu, când atomii se contopesc în atomi noi, mai uşori decât suma greutăţilor anterioare, diferenţa de masă fiind eliberată sub formă de energie. Produsele rezultatele sunt inofensive din punct de vedere al radioactivităţii, iar randamentul reacţiei ar trebui să fie teoretic mai mare, cu condiţia că acea reacţie poate fi stăpânită la temperatura uriaşă, de 100-200 milioane de grade Celsius, la care are loc reacţia de fuziune. Cu câteva kilograme de combustibil, teoretic, s-ar putea produce electricitate pentru o ţară mică întreagă, în decursul unui an, fără deşeuri radioactive şi cu obţinerea efectivă a unei energii din belşug la final.

Reactoarele tokamak, sau de formă toroidală, au fost primele inventate de oamenii de ştiinţă, acum aproape 70 de ani, când a început studiul acestui domeniu. Ele au evoluat lent la început, constrânse de limitările materialelor şi de experimentele complexe, cu consum uriaş de energie, pentru a declanşa reacţii de fuziune cu durata a doar câteva secunde. Evoluţia materialelor şi a ştiinţei în general a făcut ca şi controlul reacţiei de fuziune să evolueze tot mai mult şi să-i facă pe fizicieni încrezători că ne aflăm foarte aproape de stăpânirea completă a acestei tehnologii.

Foto: Proiectul reactorului tokamak, construit în Franţa, şi ilustrarea reacţiei de fuziune nucleare

Doar că între timp fuziunea a fost atinsă prin multe alte variaţii de reactoare sau dispozitive. Undele din ele prevăd ţintirea cu multiple fascicule de laser spre un spaţiu unde se află combustibilul, declanşând astfel fuziunea locală şi anume astfel au avut loc acum câţiva ani primele reacţii documentate de producţie netă de energie, când energia produsă a fost mai mare decât cea consumată pentru declanşarea reacţiei. Dar există mult mai multe variaţii de reactoare şi dispozitive, de la stellarator până la reactoare longitudinale, sau undele ce imită ciclurile de combustie ale motoarelor cu ardere internă. Despre foarte multe dintre aceste variaţii şi progresul adus de ele am scris în multiple articole în ultimii ani. Iar multe companii au şi demarat deja construcţia viitoarelor centrale nucleare, chiar dacă reactoarele lor se află încă în fază de concept avansat, şi n-au demonstrat capacitatea stăpânii consecvente şi continue a fuziunii. Prin urmare, reactorul tokamak construit în Franţa pentru cercetătorii din întreaga lume, ar putea avea concurenţi din lumea startup-urilor şi companiilor cu echipe experimentate de fizicieni şi ingineri, care muncesc de ani la rând pentru a avea soluţii viabile economic şi fizic pentru fuziunea nucleară.

Foto: Stellarator de fuziune nucleară

Însă ca reactor tokamak, ceea ce se construieşte acum în Franţa, reprezintă cel mai mare retor din lume, cu cel mai mare magnet din lume, or, reactoarele tokamak presupun că vor stăpâni plasma şi reacţia de fuziune prin câmp magnetic uriaş, creat în interiorul acestui reactor. Iar reactorul francez va avea un sistem de magneţi de peste 10.000 tone, care va stoca o cantitate uriaşă de energie magnetică, de 51 GJ. Deci, e firesc că cel mai mare reactor tokamak din lume va avea nevoie şi de cel mai mare sistem de magneţi superconductori din lume.

Acest sistem include un solenoid central cu 6 module, 18 bobine toroidale uriaşe amplasate radial în jur, alte 6 bobine perpendiculare, poloidale, plus bobine mai mic de corecţie şi feedere. La asemenea dimensiuni şi cantităţi de energie, superconductivitatea devine practic obligatorie, pentru a elimina rezistenţa şi pierderile uriaşe.

Cea mai mare parte componentă livrată acum a fost solenoidul central al magnetului, supranumit şi „inima pulsantă” a magnetului. Rolul acestui solenoid e crucial — să iniţieze plasma şi să inducă şi curentul principal în plasmă pentru reacţia de fuziune.

Foto: Solenoidul central

Acest solenoid are 18 metri înălţime şi a fost produs în SUA, fiecare modul cântărind circa 122 tone. Cele 6 module au fost deja livrate în Franţa, prin operaţiuni sofisticate de transport terestru şi maritim. În Franţa, de fapt, există o rută special adaptată, de 104 km, între portul Fos-sur-Mer şi sediul ITER din Cadarache, cu poduri consolidate şi totul pregătit pentru aceste transporturi mari. Mai mult ca atât, a fost fabricat şi un modul de rezervă, pentru redundanţă, care a fost livrat de curând. Or, dacă se va ajunge vreodată să se constate vreo problemă, ITER ar rămâne blocat ani la rând până s-ar putea comanda şi produce un alt modul similar, tocmai de asta a fost mai logic să se comande şi al 7-lea modul.

Acest solenoid uriaş, de peste 730 tone în masă totală, conţine cantităţi uriaşe de niobiu şi staniu, ca materiale superconductoare. Aceste materiale, în procesul de operare, vor fi răcite cu heliu până la o temperatură de -269°C pentru a obţine efectul de superconductivitate.

E curios că fabricarea acestui solenoid a durat 15 ani, fiecare din cele 7 module având nevoie de 2 ani pentru producţie şi testare, la General Atomics, în California. Iar asta ne aminteşte de anvergura colosală a proiectului ITER şi de efortul internaţional centralizat aici.

Toate modulele principale ale solenoidului sunt acum în plin proces de asamblare la ITER, iar între timp şi mai multe dintre cele 18 bobine uriaşe au fost livrate. Aceste bobine au o formă de D, iar funcţia lor principală este să creeze câmpul magnetic toroidal, care obligă particulele încărcate din plasmă să urmeze traiectorii închise în tor, fără să atingă pereţii. Aşa cum spuneam, cele 18 bobine sunt plasate simetric radial, pe toată circumferinţa reactorului tokamak.

Fiecare asemenea bobină cântăreşte circa 330 tone şi măsoară 17 metri înălţime şi 9 metri lăţime. Aceste bobine sunt construite dintr-o combinaţie de cupru şi material superconductor, bazat în mod similar pe niobiu şi staniu.

Partea la fel de curioasă e că ingineri şi fizicienii de la ITER au schimbat procesul de asamblare în decursul construcţiei, insistând că e nevoie de o zonă specială de testare acestor bobine la superconductivitate şi magnetism înainte de a fi instalate în construcţia reactorului, or, dacă măcar 1 din cele 18 bobine ar fi avut devieri sau n-ar funcţiona corect, şi asta s-ar fi depistat la final, după asamblarea reactorului, eşecul ar fi uriaş şi repararea lui ar fi aproape imposibilă. Aşa că acum inginerii de la ITER au inaugurat acest spaţiu de testare şi au şi testat cu succes prima bobină, înainte de a o monta cu certitudinea că ea funcţionează perfect.

Foto: Instalaţia de testare a bobinelor

Spaţiul de testare a necesitat şi construcţia unei camere criogenice, care acoperă bobina, după care urmează un proces de răcire la -269°C timp de 4 zile, şi abia atunci e furnizat şi curentul electric cu măsurarea parametrilor. Şi acest curent e crescut gradual, până la 68 kA. Şi toate bobinele vor fi testate astfel, după care vor fi asamblate în construcţia finală a reactorului ITER, care începe astfel să prindă contur mult mai vizibil.

Aşadar e o muncă de-a dreptul sisifică aici, lentă, metodică, făcută prin căi clasice ale oamenilor de ştiinţă, cu efort internaţional uriaş. Marea întrebare e dacă într-un final acest efort metodic şi meticulos va fi cel car va aduce cunoaşterea şi stăpânirea completă a fuziunii nucleare sau eforturile mai impulsive şi mai accelerate, făcute mai răzleţ şi cu bugete mai mici, ale diverselor echipe care elaborează la rândul lor reactoare proprii de fuziune nucleară.